Optics and photonics has recently captured interest as a platform to accelerate linear matrix processing, that has been deemed as a bottleneck in traditional digital electronic architectures. In this paper, we propose an all-photonic artificial neural network processor wherein information is encoded in the amplitudes of frequency modes that act as neurons. The weights among connected layers are encoded in the amplitude of controlled frequency modes that act as pumps. Interaction among these modes for information processing is enabled by non-linear optical processes. Both the matrix multiplication and element-wise activation functions are performed through coherent processes, enabling the direct representation of negative and complex numbers without the use of detectors or digital electronics. Via numerical simulations, we show that our design achieves a performance commensurate with present-day state-of-the-art computational networks on image-classification benchmarks. Our architecture is unique in providing a completely unitary, reversible mode of computation. Additionally, the computational speed increases with the power of the pumps to arbitrarily high rates, as long as the circuitry can sustain the higher optical power.


翻译:光学和光子最近作为加速线性矩阵处理的平台引起了人们的兴趣,这种平台被认为是传统数字电子结构中的一个瓶颈。 在本文中,我们提议建立一个全光人造神经网络处理器,在频度模式的振幅中将信息编码成神经元。连接层的重量在作为泵的受控频率模式的振幅中编码。这些信息处理模式之间的相互作用是由非线性光学进程促成的。矩阵的倍增和元素激活功能都是通过连贯过程进行的,能够直接表示负和复杂数字,而不使用探测器或数字电子。Via 数字模拟显示,我们的设计在图像分类基准上达到了与当前最新计算网络相匹配的性能。我们的建筑在提供一个完全统一的、可逆的计算模式方面是独一无二的。此外,计算速度随着泵的功率随任意的高速而提高,只要电路能维持更高的光学功。

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